基于ADI DSPBF506F的汽車EPS方案

　　隨著電子技術的發(fā)展，電動助力轉向系統(tǒng)(Electric Power Steering，EPS)作為傳統(tǒng)液壓助力轉向系統(tǒng)(Hydraul ic Power Steering，HPS)和電動液壓助力轉向系統(tǒng)(Electro-Hydraul ic PowerSteering，EHPS)技術的替代者，其應用愈來愈廣泛。本文通過分析EPS的基本原理。市場以及技術優(yōu)勢，結合英飛凌。TI.飛思卡爾等半導體廠商的EPS方案研發(fā)現狀，給出基于ADI BF506F的EPS方案和技術評估。

　　1背景

　　電動助力轉向系統(tǒng)(EPS)是未來轉向系統(tǒng)的發(fā)展方向，該系統(tǒng)由助力電機直接提供轉向助力，省去了液壓動力轉向系統(tǒng)所必需的動力轉向油泵。軟管。液壓軸。傳送帶和皮帶輪，既節(jié)省能量，又保護環(huán)境，逐漸成為轎車的標準裝置。根據咨詢公司Strategy Analyties對中國EPS市場的預測，在2010~2017年期間中國的EPS市場的年復合增長率將達到16.9%，約1800萬套。

　　EPS市場之所以能有如此的增長趨勢，也是由其本身具有的諸多優(yōu)點所決定的，這主要表現在：

　　(1)EPS能在各種行駛工況下提供最佳助力，減小擾動，改善汽車的轉向特性，提高汽車高速行駛時的轉向穩(wěn)定性，進而提高汽車的主動安全性。

　　(2)EPS只在轉向時電機才提供助力，因而能減少燃料消耗。統(tǒng)計數字表明，與HPS相比，EPS每百公里可節(jié)油約0.3至0.5升。

　　(3)EPS電機由蓄電池供電，因此即使在發(fā)動機熄火或出現故障時也能提供助力。

　　(4)EPS取消了液壓結構，其零件比HPS大為減少，因而重量更輕。結構更緊湊，易于設計和安裝，并能降低噪聲。

　　(5)EPS易于調整和檢測，可以通過設置不同的程序，快速與不同車型匹配，因而能縮短生產和開發(fā)周期。

　　(6)EPS不存在滲油問題，可大大降低保修成本，減小對環(huán)境的污染，改善了環(huán)保性。

　　(7)EPS比HPS具有更好的低溫工作性能。

　　(8)可實現自動泊車系統(tǒng)等輔助功能。

　　2 EPS

　　EPS是通過電機的動力直接給轉向系統(tǒng)提供輔助扭矩的系統(tǒng)。它依靠檢測發(fā)動機。方向盤。車速等信息來判斷并提供合適的轉向助力，使得轉向過程能夠精確。輕松。安全地完成。通常一個EPS系統(tǒng)主要由轉向部件。傳感器。電機。減速機構和電子控制單元(ECU)等組成，其系統(tǒng)構成由圖1所示。

　　圖1 EPS系統(tǒng)構成

　　轉向部件將方向盤。扭桿。轉矩傳感器。助力電機減速器總成及轉向傳動軸組合到一起，形成一個整體，完成轉向功能?？刂破鱁CU由微處理器及電子模塊組成，完成對來自轉矩傳感器。點火開關。發(fā)動機轉速傳感器。車速傳感器的信號的處理，并按照一定的運算判斷規(guī)律控制助力電機，使之產生合理的轉向助力轉矩。

　　當駕駛員操作方向盤時，連接方向盤的扭桿產生形變，其形變角度與施加到方向盤的轉矩成正比，轉矩傳感器將扭桿形變的角度轉化成線性的電壓輸出信號T，此信號與車速信號V.發(fā)動機轉速信號w.點火信號G送入到控制器ECLT進行綜合。分析。判斷和運算后輸出電流信號控制助力電機。助力電機通過傳動機構產生助力轉矩，該助力扭矩施加到轉向軸上，從而輔助駕駛員完成轉向操作，系統(tǒng)邏輯圖如圖2所示。

　　圖2 EPS系統(tǒng)邏輯圖

　　3技術方案

　　為了汽車轉向的過程順利實現，EPS系統(tǒng)需要實現以下功能：

　　助力控制：在汽車停車及低速行駛時提供較大輔助力矩，使轉向過程快捷輕便地進行，而在汽車高速行駛時提供較小的輔助力矩以保持轉向過程的可靠與沉穩(wěn)。

　　回正控制：確保汽車從直行狀態(tài)到大角度轉向的過程中回正力矩相應地逐漸提高。另外，確保汽車在非轉向狀態(tài)下的直線行駛性能，并防止汽車在不同車速下實現回正時出現回正不足或回正超調的現象。

　　阻尼控制：利用電機感應電動勢來減弱汽車高速行駛時出現的方向盤抖動現象，消除轉向輪因路面不平而引起的方向盤擺振，并在汽車高速行駛時，給轉向過程增加一定的阻尼，克服轉向發(fā)飄的感覺。

　　分析診斷功能：應能實時監(jiān)控運行狀態(tài)，并具有故障報警和提示功能，在故障不能自動排除時關斷EPS使車輛進入傳統(tǒng)的機械轉向模式。

　　通訊功能：應具有通過CAN或LIN總線與其他系統(tǒng)進行通訊的能力，并具有可以更改主要參數(主要針對電機控制)的接口。

　　為實現上述功能，整個EPS系統(tǒng)必須高效快速地協同工作，因此，系統(tǒng)的下列組成部分的性能顯得尤為重要：

　　傳感器：傳感器給EPS系統(tǒng)提供了汽車行駛狀況的各種必要信息，是系統(tǒng)的感覺器官，其信號輸出應該盡量準確。高速。簡潔。EPS系統(tǒng)通常需要方向盤扭矩傳感器。轉角傳感器(可選)和輪速傳感器的信號。目前通用的傳感器采用模擬信號處理方式，信號輸出精度不高且輸出的信號需要ECU進一步處理，增加了ECU的工作負擔，而數字信號傳感器因其可給出ECU直接可用的數字信號，減少了占用的ECU資源，并提高了信號的準確性而被越來越多的EPS系統(tǒng)采用。

　　控制策略：傳統(tǒng)的轉向系統(tǒng)主要為駕駛員提供轉向助力，減輕轉向負擔，EPS系統(tǒng)還要解決諸如高速行駛過程中轉向過大?；卣扔绊戃囕v穩(wěn)定性和安全|生的問題，因而需要一套高效完善的控制策略來保證其性能。

　　半導體技術的高速發(fā)展，使得EPS從成本和技術上成為可能。英飛凌。TI，以及飛思卡爾相繼推出基于自身微控制器/處理器的EPS方案。

　　3.1英飛凌的EPS方案

　　英飛凌的EPS采用XC2336B和XC836MT的雙處理器方案，如圖3所示。XC2336B通過對扭矩傳感器。發(fā)動機點火信號等信息的采集。處理，以相應的控制策略驅動3相電機實現電助力轉向。

　　圖3 英飛凌的EPS解決方案

　　XC836MT為輔助處理器，實現安全控制。

　　XC2336B是一個帶五級流水線的最高80MHz時鐘頻率的高性能CPU并擁有一個保護數據不被非法訪問的存儲器保護單元(Memor)r ProtectionUnit，MPU)。它具有不同類型的片上存儲模塊(8kstand-by RAM，2k dual-port RAM，最高16k dataSRAM，最高16k program/data SRAM和最高320kprogram flash memory)，并使用硬件CRC檢測和ECC碼來發(fā)現數據錯誤并能糾正單位錯誤。它的眾多外設模塊可靈活地滿足各種不同的需求，擁有2個可擴展為9路的10位分辨率的同步A/D轉換器。16路通用捕捉/比較單元。兩路帶PWM產生器的捕捉/比較單元。5個定時器。40路通用I/O接口。多路CAN接口等等，并可通過DAP和JTAG接口進行片上調試。此外，它還帶有看門狗和晶振看門狗來保證控制器的正常運行。

　　XC836MT是一顆具有8051內核的微控制器，作為備份微控制器，它最主要的作用是對主微控制器進行監(jiān)控并在主微控制器失效的情況下切斷EPS使汽車進入機械轉向狀態(tài)，避免汽車失控而引發(fā)危險。

　　3.2 T I的EPS方案

　　TI公司的C2000系列DSP，如低端的TMS320F28016.高端的TMS320F28335均有相應的EPS方案。以TMS320F28016為例，其集成CAN通信接口，片上集成32K字節(jié)FLASH存儲器，12K字節(jié)SRAM，2K字節(jié)OTP ROM，60MHz內部總線頻率，16通道12位模數轉換器(ADC)，轉換時間可達267ns;正交編碼脈沖(QEP)接口。定時器捕獲比較功能以及16路獨立的脈寬調制(PWM)輸出通道，可以方便實現完整的系統(tǒng)集成控制功能，并提供看門狗電路。電源監(jiān)視等。

　　圖4 TI公司的EPS方案

　　與TMS320F28016相比，TMS320F2812主頻提高到150MHz，TMS320F28335增加了浮點運算單元。TI的EPS方案如圖4所示。

　　3.3飛思卡爾的EPS方案

　　飛思卡爾的EPS方案以MPC560xP和MPC564xL作為核心處理器，其中MPC560xP為單核，主頻可達64MHz的32位處理器，高達512KB的片上FLASH和40KB的片上RAM，擁有CAN.LIN總線等接口，2個10bitl5通道的ADC，8路獨立的PWM等外設資源。MPC564xL為雙核處理器，主頻高達120MHz，1MB片上FLASH以及128KB片上RAM，2個PWM單元，每個單元4路，以及3路6通道通用定時器，擁有2個LIN和CAN，兩個12bitADC，各16通道。其EPS方案結構圖如圖5所示。

　　圖5 飛思卡爾EPS方案結構圖

　　3.4方案比較

　　如果僅從EPS功能實現上考慮，控制策略采用傳統(tǒng)PID控制，上述方案均能滿足要求，且英飛凌的(XC2336B+XC836MT)方案。，rI的TMS320一F28016方案以及飛思卡爾的MPC560xP方案均能實現低成本。

　　然而，由于實際中EPS往往具有非線性。時變不確定性，使得傳統(tǒng)的PID不能達到理想的效果，以致對實際運行工況的適應性很差，因此，需要采用較為高級的控制策略，如模糊控制，以使系統(tǒng)具有較強的魯棒性，在提高系統(tǒng)的操縱輕便性的同時，能保證駕駛員獲得充分的路感，從而獲得較為理想的助力特性。

　　復雜的控制策略意味著復雜的算法和運算負荷，這就需要較高性能的處理器，如TI公司的TMS320F28335.飛思卡爾公司的MPC564xL，尤其是ADI公司的BF506F等。

　　4 AD I DSP BF506F的優(yōu)勢

　　ADI DSP BF506F是一個400MHz主頻的低功耗處理器，片上4MB FLASH，雙12位，2MSPS，12通道高速ADC，擁有CAN.UART通信接口，6對PWM輸出。值得強調的一點是，12位的標稱值，可以達到11.5位的ENOB，這個在業(yè)界是非常領先的。

　　與TMS320F28335.MPC564xL相比，BF506F主頻更高。片上FLASH更大。ADC數量精度高，更重要的一點是，BF506F具有更高的性價比。

　　ADI BF506F EPS電控板如圖6所示。

　　圖6 ADI　BF506F　EPS電控板

　　5結論

　　在外設資源相差不大，高主頻意味著比較高的運算處理能力，因此，選擇BF506F系列處理器實現EPS，在硬件平臺不用變更的情況下，更容易實現算法。控制策略升級。

　　ADI BF506F EPS演示平臺如圖7所示。

　　圖7　ADI BF506F EPS演示平臺